張林 東莞市銀禧光電材料科技股份有限公司 總經(jīng)理
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》配套材料 顧問
傅軼 東莞市銀禧光電材料科技股份有限公司 總工程師
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》配套材料 顧問
一、前言
PC(聚碳酸酯)最早由德國(guó)科學(xué)家Alfred Einhorn在1898年首次合成，因?yàn)橐恢睕]有找到合適的應(yīng)用領(lǐng)域，長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)“養(yǎng)在閨中無(wú)人知”。不過是金子就總會(huì)有發(fā)光的那一天，1955年，Bayer公司的科學(xué)家Hermannschnell重新將PC合成出來(lái)，并于當(dāng)年申請(qǐng)了專利。同年，Bayer公司正式給自家的PC起了個(gè)商品名“Makrolon”?？v觀整個(gè)塑料科技史，不得不說，上世紀(jì)五六十年代是塑料科技大發(fā)展的時(shí)代。就在同一時(shí)期，1953年GE公司(后來(lái)塑料部門出身的杰克-韋爾奇擔(dān)任該公司CEO)的科學(xué)家 Daniel Fox 也獨(dú)立合成出了PC，而且，同樣在1955年向美國(guó)專利局提交了專利申請(qǐng)，一場(chǎng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)大戰(zhàn)由此展開……
最后，美國(guó)專利局裁定，該項(xiàng)技術(shù)專利歸Bayer所有，因?yàn)樗麄儽菺E公司早提交申請(qǐng)書一個(gè)星期。就因短短一星期，Bayer從GE那里拿到了不少專利費(fèi)。時(shí)間就是金錢，在這里得到了完美的體現(xiàn)。
1958年，Bayer公司開始量產(chǎn)并商業(yè)化“Makrolon”。兩年后，在支付了一筆“保護(hù)費(fèi)”后，GE公司也開始量產(chǎn)PC，GE家的PC商品名是“Lexan”。自此，PC作為工程塑料登上歷史舞臺(tái)，由于它集良好的光學(xué)性能、力學(xué)性能以及阻燃性能于一體，很快就得到了人們的關(guān)注 [1]。
二、PC材料的結(jié)構(gòu)和性能
聚碳酸酯是指大分子鏈由碳酸酯型重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成的一類聚合物，英文名稱Polycarbonate，簡(jiǎn)稱PC，它是第二大通用工程塑料品種。根據(jù)具體組成不同，PC可分成脂肪族、脂環(huán)族、芳香族三類，但在工程上具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的只有芳香族PC。
PC是一種無(wú)色透明(或淡黃色透明)、剛硬而堅(jiān)韌的材料，無(wú)毒、無(wú)味，外觀類似于有機(jī)玻璃。PC的性能與其大分子的結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。PC大分子主鏈?zhǔn)怯僧惐麚位c碳酸酯基交互與苯環(huán)相連構(gòu)成的線性大分子。分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱、規(guī)整、重復(fù)單元長(zhǎng)。苯環(huán)是剛性的，碳酸酯基是極性吸水基，雖然具有柔性，但它與兩個(gè)苯環(huán)構(gòu)成共軛體系，增加了主鏈的剛性和穩(wěn)定性。異丙撐基是非極性的吸水基，對(duì)稱分布的甲基位阻降低，提供主鏈以柔性。所以PC大分子以剛性為主并具有一定柔性。聚碳酸基的極性受到芳烴基的影響，失水率不高(約 0.05%)，但依然存在高濕度下易水解的弊病。PC具有規(guī)整的結(jié)構(gòu)，大分子能夠結(jié)晶。但實(shí)際上PC的結(jié)晶度很低，基本上屬無(wú)定形聚合物，這可能與其分子剛性和重復(fù)單元太長(zhǎng)有關(guān) [2]。
一般性能：PC為透明、呈微黃色或白色硬而韌的樹脂，燃燒時(shí)發(fā)出花果臭味、離火自熄、火焰呈黃色、熔融氣泡。
力學(xué)性能：PC的力學(xué)性能十分優(yōu)良，具有剛而韌的優(yōu)點(diǎn)。其沖擊性能是熱塑性塑料中最好的一種，比PA、POM高3倍之多，接近PF和UP玻璃鋼的水平。PC的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都好，并受溫度的影響小。PC的耐蠕變性優(yōu)于PA和POM，尺寸穩(wěn)定性好。熱學(xué)性能：PC的耐高低溫性好，可在-130~130℃溫度范圍內(nèi)使用，熱變形溫度可達(dá)130-140℃，并受載荷作用小，熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)都比較小，阻燃性好，屬于自熄性能材料。
電學(xué)性能：PC因?qū)偃鯓O性聚合物，其絕緣性能一般。但可貴之處在于其電性能在很寬的溫度及溫度范圍內(nèi)變化較小，如介電常數(shù)和介電損耗角正切值在23-125℃范圍內(nèi)幾乎不變。但需注意的是，隨PC制品結(jié)晶度的提高，其體積電阻率增大。
環(huán)境性能：PC可耐有機(jī)酸、稀無(wú)機(jī)酸、鹽、油、脂肪烴及醇類，但不耐氯烴、稀堿、澳水、濃酸、胺類、酮及脂等，可溶于二氯甲烷、二氯乙烷及甲酚等溶劑中。PC不耐60℃以上的熱水，長(zhǎng)期接觸會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力開裂并失去韌性。PC的耐紫外線性不好，需加入紫外線吸收劑，但PC的耐空氣、臭氧性較好。
光學(xué)性能：PC力量?jī)?yōu)異的力學(xué)塑料品種之一，其透光率可達(dá)93% 之多，折射率為1.587，適于透鏡材料。PC作為高檔光學(xué)材料的不足之處：一為硬度低，耐磨性差;二為雙折射高，不易用于光學(xué)儀器等高精度制品中 [3]。
三、PC材料在LED領(lǐng)域中的應(yīng)用種類和性能特點(diǎn)
在光學(xué)材料領(lǐng)域，隨著光電產(chǎn)品向“輕、薄、短、小”的方向發(fā)展，人們對(duì)一些重要的光學(xué)元器件如光學(xué)透鏡、光釬、光盤、發(fā)光二極管等的綜合性能要求越來(lái)越高，光學(xué)元器件也越做越小。與無(wú)機(jī)材料玻璃相比，PC既有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高抗沖性、易加工等優(yōu)點(diǎn)，又具有高透光率(透光率可達(dá) 90%)、高折射率、優(yōu)良尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)。采用光學(xué)級(jí)PC制作的各種光學(xué)透鏡，無(wú)論是抗沖性能還是成型加工性能，都是傳統(tǒng)無(wú)機(jī)玻璃無(wú)法相比的，所以在光學(xué)材料領(lǐng)域內(nèi)占有日趨重要的位置。
3.1 健康照明——LED增透阻藍(lán)光擴(kuò)散技術(shù)
3.1.1 LED藍(lán)光對(duì)健康的影響
作為第四代綠色光源，LED(Light-EmittingDiode)具有發(fā)光效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，自1998年世界第一支實(shí)用的白光發(fā)光二極管(WLED)問世以來(lái)，它已經(jīng)應(yīng)用于照明、液晶顯示、戶外顯示等領(lǐng)域。目前制備的WLED的主流方案是依靠450nm左右高能藍(lán)光激發(fā)黃光熒光粉(YAG:ce3+)產(chǎn)生白光。
生活中液晶顯示、照明等WLED光源無(wú)處不在，給人們帶來(lái)的舒適的生活環(huán)境和視覺享受。同時(shí)，由于對(duì)這種人造光的長(zhǎng)期依賴，人們也逐漸認(rèn)識(shí)并越來(lái)越重視LED激發(fā)的HEV對(duì)人的健康危害。過量的LED燈具藍(lán)光可能產(chǎn)生視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)損傷和視覺疲勞。藍(lán)光會(huì)穿透晶狀體，導(dǎo)致黃斑病變或形成白內(nèi)障，尤其是兒童晶狀體較清澈，無(wú)法有效抵擋藍(lán)光，更容易導(dǎo)致黃斑病變以及白內(nèi)障。眾多研究表明，過量藍(lán)光可對(duì)晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響。人眼視網(wǎng)膜上存在第三類感光細(xì)胞——內(nèi)在光敏性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsicallyphotosensitive retinal ganglion cells(ipRGCs))，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)機(jī)體視覺以外的非視覺效應(yīng)，如管理時(shí)間的功能，協(xié)調(diào)和控制人們?cè)诓煌瑫r(shí)段里的活動(dòng)節(jié)律和幅度。藍(lán)光LED的波長(zhǎng)在450nm左右，正好與人體的辰(晝夜節(jié)律/生物鐘)節(jié)律一致，藍(lán)光刺激ipRGcs產(chǎn)生信號(hào)阻止身體釋放褪黑素，而褪黑素與我們的晝夜節(jié)律循環(huán)密切相關(guān)，是影響睡眠的一種重要激素，眾多研究證明藍(lán)光會(huì)導(dǎo)致睡眠質(zhì)量下降、失眠和抑郁等。
2012年，國(guó)際電工委員會(huì)IEC將LED燈具的藍(lán)光危害納入安全要求，從而使藍(lán)光危害成為燈具必須考量的參數(shù)之一。LED燈具的光輻射安全性，應(yīng)符合EN62471《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》標(biāo)準(zhǔn)要求，而后針對(duì)藍(lán)光危害又評(píng)價(jià)補(bǔ)充推出IEC/TR62778，并被同年修訂的IEC60598-1、IEC62031等各大光源和燈具安全標(biāo)準(zhǔn)引用。我國(guó)于2017年1月1日正式實(shí)施的最新版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7000.1-2015 的《燈具第1部分：一般要求與試驗(yàn)》也規(guī)定帶有整體式LED或LED模塊的燈具應(yīng)根據(jù)IEC/TR62778進(jìn)行藍(lán)光危害評(píng)估。藍(lán)光危害已經(jīng)成為燈具必須考量的參數(shù)。
3.1.2 目前市場(chǎng)上的解決方案：
目前市場(chǎng)上主要采用光擴(kuò)散技術(shù)解決光源刺眼問題。光擴(kuò)散劑將LED點(diǎn)光源和線光源轉(zhuǎn)換成線光源和面光源，做到“不刺眼”效果，它可以添加到PC、PVC、PS、PMMA、PET、環(huán)氧樹脂等透明樹脂基材中，增加光的散射、折射和透射，使整個(gè)樹脂發(fā)出更加柔和，美觀，高雅的光，達(dá)到透光不透明的舒適效果，還可以在可視角度增加光線亮度，但光散射劑對(duì)藍(lán)光的吸收微乎其微，不能屏蔽藍(lán)光。
針對(duì)白光LED光源的富藍(lán)化現(xiàn)象，采用藍(lán)光吸收劑改性PC基材，利用藍(lán)光吸收劑吸收高能量的藍(lán)光并轉(zhuǎn)化為熱能或無(wú)害低能輻射釋放出來(lái)，以消除白光LED光譜中的高能藍(lán)光波段。結(jié)果表面，藍(lán)光吸收劑改性PC材料后，可以有效減少各波長(zhǎng)處的藍(lán)光透過率，并且隨著藍(lán)光吸收劑比例的增加藍(lán)光吸收效果增強(qiáng) [4]。雖然這種方法能夠有效減小藍(lán)光占比，降低藍(lán)光導(dǎo)致的健康危害，但是也存在一些缺點(diǎn)。
A 產(chǎn)品功能角度：
采用的色粉光譜吸收選擇性差，有效阻止HEV的同時(shí)，也會(huì)大量吸收高波長(zhǎng)有益藍(lán)光和部分黃綠光，因此，相比原光擴(kuò)散板，導(dǎo)致光通量減小，光效降低，透光率下降;
B 外觀性能角度 :
由于對(duì)藍(lán)光譜段過量吸收，導(dǎo)致產(chǎn)品外觀發(fā)黃偏色，對(duì)部分綠光和黃光的吸收造成光透下降。
C 加工工藝角度 :
該方法需要將色粉和基材粉末共混后注塑，而色粉容易團(tuán)聚，很難在基材中分散均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品色粉分布不均、阻藍(lán)效率低，造成產(chǎn)品色差，光學(xué)不穩(wěn)定。
D 經(jīng)濟(jì)價(jià)值角度 :
由于色粉的分散效果差，用量會(huì)增加，導(dǎo)致成本增高。
3.1.3 增透阻藍(lán)技術(shù)
為了給消費(fèi)者提供更加健康的LED照明，針對(duì)目前阻藍(lán)技術(shù)存在的問題，開發(fā)了新一代增透阻藍(lán)技術(shù)，利用最新的量子型光擴(kuò)散劑，高效阻隔高能藍(lán)光HEV，在不改變?cè)瓉?lái)的工藝的基礎(chǔ)上，獲得降低有害藍(lán)光占比、消除黃變，增加光通量，提高透光率的效果。
量子型光擴(kuò)散劑是一種石榴狀微納尺度核殼結(jié)構(gòu)的雜化納米復(fù)合微球，結(jié)合了納米尺度的量子點(diǎn)材料和微米尺度光擴(kuò)散劑各自的功能和優(yōu)點(diǎn)，量子材料賦予吸收高能藍(lán)光和光轉(zhuǎn)換補(bǔ)償功能，微球具備光擴(kuò)散效果。該增透阻藍(lán)技術(shù)特點(diǎn)如下：
A 產(chǎn)品功能角度：
量子型光擴(kuò)散劑針對(duì)氮化鎵450nm激發(fā)光設(shè)計(jì)，阻藍(lán)具有專一性，只阻隔高能藍(lán)光，有益藍(lán)光全透過，并且吸收高能藍(lán)光的量子點(diǎn)能激發(fā)出綠光和黃光等可見光。因此，第二代增透阻藍(lán)光擴(kuò)散板不僅獲得健康照明的效果，而且即使相比原光擴(kuò)散板，都能增加光通量，降低光效，提高透光率。
B 外觀性能角度
由于對(duì)藍(lán)光譜段選擇性吸收，并能激發(fā)出長(zhǎng)波藍(lán)光、綠光和黃光等可見光，產(chǎn)品外觀不會(huì)發(fā)黃偏色。
C 加工工藝角度
量子點(diǎn)型光擴(kuò)散劑作為一種微納結(jié)構(gòu)的球型粉末，具有極好的分散性和相容性，可直接和基材粉末共混后注塑，加工工藝一致，并且無(wú)需改變?nèi)魏喂に噮?shù)。
D 經(jīng)濟(jì)價(jià)值角度
由于光擴(kuò)散劑本身用量少，而納米尺度量子點(diǎn)又可在微球中均勻分散，同時(shí)光波在光擴(kuò)散劑中多次反射和折射，光程增加，每個(gè)量子點(diǎn)利用率提高，增透阻藍(lán)效率提高，因此只需少量量子材料就能獲得理想的性能，光學(xué)質(zhì)量更穩(wěn)定，光擴(kuò)散劑用量減少，降低成本。
3.1.4 量子型增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板測(cè)試報(bào)告
在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)量子型增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板、普通光擴(kuò)散板和LED裸光的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行了比較。
圖1為裸光、普通光擴(kuò)散板和增透阻藍(lán)擴(kuò)散板的光譜圖比較。增透阻藍(lán)擴(kuò)散板在藍(lán)光激發(fā)峰高450nm處的絕對(duì)光譜值為14.96mW/nm，低于裸光(19.13mW/nm)和普通板(17.7mW/nm)，并且高能藍(lán)光光譜區(qū)域(小于450nm)明顯削減，其它可見光區(qū)域則得到增強(qiáng)，有益光譜相對(duì)高能藍(lán)光比例明顯變大?？梢娫摦a(chǎn)品能夠獲得理想的增透阻藍(lán)性能。
圖1 LED裸光、普通PC和增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板光譜比較圖
三者光譜測(cè)試相近數(shù)據(jù)的參數(shù)，并且對(duì)不同的參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)比較。從表一可以看出，增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板的眾多參數(shù)，如顯色指數(shù)、P(W)、PF、半波寬、CRI等測(cè)試數(shù)據(jù)和裸光、普通PC的基本一致。
增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板的特色體現(xiàn)在表二的數(shù)據(jù)比較中，該產(chǎn)品的絕對(duì)光譜小于裸光、普通PC，說明阻隔了高能藍(lán)光的通過，而Φe(mW) 和普通PC光擴(kuò)散板相近，光通量反而比更大，接近LED裸光，這是因?yàn)樵摦a(chǎn)品能夠激發(fā)出更多的有益可見光，補(bǔ)償了削減掉的高能藍(lán)光光能，同時(shí)長(zhǎng)波藍(lán)光也得到補(bǔ)償，不會(huì)造成產(chǎn)品發(fā)黃。光效達(dá)到接近裸光的95.95lm/W，高于普通PC光擴(kuò)散板的92.57lm/W。增透阻藍(lán)光擴(kuò)散板的透光率高達(dá)98.4%，比普通PC光擴(kuò)散板94.7% 增加了3.7%的透光率。
采用測(cè)試的絕對(duì)光譜數(shù)據(jù)作圖，以裸光數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)比普通PC和增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板的性能。從圖2可以看出，普通PC板不能阻藍(lán)，而且可見光部分會(huì)減弱。增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板不僅能夠有效阻藍(lán)，還能提供有益光補(bǔ)償機(jī)制，提高光透過率。
圖2 普通PC和增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板光譜對(duì)比
圖3對(duì)比了普通PC和增透阻藍(lán)PC光擴(kuò)散板的藍(lán)光阻隔能力。從圖可以看出該產(chǎn)品具有高效的阻藍(lán)能力，尤其是對(duì)人的健康危害最大的420~460nm范圍內(nèi)的HEV。
圖3 HEV阻隔能力對(duì)比
圖4顯示了增透阻藍(lán)技術(shù)的有益光補(bǔ)償機(jī)制，可以看出增加的有益光和阻隔的藍(lán)光相抵消，總的Φe保持不變。同時(shí)，因?yàn)樵黾恿碎L(zhǎng)波有益光，光效比普通PC板更高。
這張補(bǔ)償機(jī)制能部分補(bǔ)充LED燈白光中相較于太陽(yáng)光譜缺失部分，使其光譜更連續(xù)，更接近太陽(yáng)可見光.
圖4 光譜補(bǔ)償機(jī)制
3.1.5 總結(jié)
以普通光擴(kuò)散PC板為參照，增透阻藍(lán)技術(shù)相比目前的阻藍(lán)技術(shù)優(yōu)劣明顯。
目前的阻藍(lán)技術(shù)雖然能阻隔藍(lán)光，但也削減了大量其它可見光。相比普通光擴(kuò)散PC板，各項(xiàng)指標(biāo)都明顯下降，光效降低，透光率減小，顏色發(fā)黃。
增透阻藍(lán)技術(shù)利用量子型光擴(kuò)散劑的對(duì)HEV的優(yōu)異阻隔性能，采用有益光補(bǔ)償機(jī)制，獲得增透阻藍(lán)、更接近太陽(yáng)光譜的健康照明效果。相比普通光擴(kuò)散PC板，不僅能夠阻隔掉一半的高能藍(lán)光，而且光通量Φ=516.1lm，增加18.3lm(3.7%);光效95.95lm/W，提高 3.38lm/W(3.7%);透光率98.38%，增加了3.67%。
粵公網(wǎng)安備 44010602001351號(hào)